WiMAX Wave 2(MIMO/STC)的單信道測量

　　WiMAX Wave 2增加了空時(shí)編碼(STC)和多路輸入/多路輸出(MIMO)等多信道傳輸方案，通常人們認為，要想表征這些多信道傳輸的性能，必須具有多信道分析能力。實(shí)際上，許多重要和有用的測量，例如信道隔離度和頻率響應，以及大部分傳統射頻參數都可以使用單信道分析儀來(lái)完成。尤其是大量的導頻音和獨特的導頻結構使許多單信道測量得以實(shí)現。
　　WiMAX Wave 2包括矩陣A(STC)和矩陣B(MIMO)兩種下行鏈路傳輸方案，分別適用于空間分集技術(shù)和空間多路復用技術(shù)。如圖1所示，矩陣A是一種2x1 STC天線(xiàn)分集技術(shù)，在基站(BS)端采用兩個(gè)發(fā)射數據路徑Tx0和Tx1，在用戶(hù)站(SS)端采用一個(gè)接收路徑Rx0。矩陣A方案用不同的編碼方式從兩個(gè)天線(xiàn)上發(fā)射每個(gè)數據符碼，可以提高(已知編碼方式的)接收機對困難條件下的信號進(jìn)行正確解調的能力。

　　為了獲得更高的數據速率，WiMAX矩陣B在BS(基站)和SS(用戶(hù)站)兩端使用了兩個(gè)或多個(gè)收發(fā)信機來(lái)實(shí)施MIMO方案。以2x2的矩陣BMIMO結構為例，要發(fā)射的數據流分流到兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)(同時(shí)工作在相同頻率)上。接收機端采用兩個(gè)(或分集方案中的多個(gè))天線(xiàn)，而最終的信號是由四個(gè)有效信號路徑中的信號結合而成(如圖1所示)。雖然MIMO正常運行時(shí)需要一定程度的獨立性，但是在實(shí)際情況中，這四個(gè)信號路徑存在不同程度的相關(guān)性，這種相關(guān)性將隨著(zhù)頻率或子載波發(fā)生變化。2x2MIMO系統進(jìn)行信號處理的目的是要測量或表征4個(gè)傳輸路徑，然后“反過(guò)來(lái)”利用這種測量結果來(lái)分離兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)所發(fā)射的信號。上行鏈路(UL)也可以采用與MIMO相關(guān)的配置，其中單信道發(fā)射機會(huì )調整其發(fā)射方式，以適應MIMO工作。

　　單信道和雙信道分析儀測量

　　單信道和雙信道分析儀可以提供對WiMAX矩陣A和矩陣B配置系統的各種重要測量。分析儀可以在射頻路徑(從發(fā)射機到接收機)的不同點(diǎn)上測量基本的射頻特征，例如頻率、功率和計時(shí)。與測量傳統的單信道系統一樣，分析儀只需直接連接到電路上(而不是使用天線(xiàn))便可進(jìn)行大部分測量。例如，使用直接與選定發(fā)射機輸出端相連的單信道分析儀，可對任何一個(gè)發(fā)射機單信道(通常稱(chēng)為T(mén)x0和Tx1)的質(zhì)量進(jìn)行測量。雙信道分析儀無(wú)疑可以同時(shí)測量雙發(fā)射機信道的基本射頻特征，但是大部分情況下實(shí)際采用的方法是只改變測量連接并重復進(jìn)行測量。

　　可能令人驚訝的是，直接連接的分析儀的單信道測量也可以用于測量基本的MIMO/STC參數，例如信道頻率響應、信道間隔離度(串擾)，即使在兩個(gè)發(fā)射機信道都在發(fā)送數據的時(shí)候。只有使用WiMAX中非重疊的導頻才有可能進(jìn)行這種測量。

　　非重疊導頻

　　所有的STC和MIMO系統配置都是在能夠識別信道的SS(用戶(hù)站)上還原下行鏈路數據。使用分布在整個(gè)信道帶寬上的導頻載波，可以評估有效的傳輸信道(在矩陣A配置中建立兩種復雜的轉換函數模型，在2x2矩陣B配置中建立四種復雜的轉換函數模型)。與其他OFDM方案如IEEE802.11a/g/n(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))相比，此方案的導頻數多出很多，而且導頻通常會(huì )針對每一個(gè)符碼改變頻率。使用這種方案的一個(gè)關(guān)鍵因素是，這兩個(gè)發(fā)射機每一個(gè)都只使用一半的可用導頻載波，而(在理想狀態(tài)下)不會(huì )在另一個(gè)發(fā)射機的導頻載波上發(fā)射能量。因此，導頻載波有時(shí)又稱(chēng)為“無(wú)障礙”傳輸。另一方面，兩個(gè)發(fā)射機信道同時(shí)使用數據載波。

　　這種導頻結構支持雙傳輸信道，其射頻特征通常用各自的導頻載波集表示，甚至可以使用單信道分析儀來(lái)進(jìn)行分離和測量。對于既定符碼，分析儀只需知道預定的導頻載波集，就能解析和測量單獨的載波。

　　圖2顯示的是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的雙信道發(fā)射機計時(shí)和子載波概念圖。圖中，當符碼時(shí)間為n+2時(shí)，第一個(gè)發(fā)射機Tx0依次發(fā)射一個(gè)導頻子載波、兩個(gè)數據子載波以及一個(gè)零子載波。與此同時(shí)，第二個(gè)發(fā)射機Tx1在相同的符碼時(shí)間內依次發(fā)射一個(gè)零子載波、兩個(gè)數據子載波以及一個(gè)導頻子載波。在理想的情況下，一個(gè)發(fā)射機信道中的導頻子載波不會(huì )和其他信道中的任何頻率子載波發(fā)生重疊。如果兩個(gè)發(fā)射機信道之間存在某種程度的串擾現象，信號分析儀能夠通過(guò)在預期零子載波的時(shí)間和頻率上出現的導頻能量測出該串擾。

　　圖2還顯示了出現串擾現象時(shí)系統的子載波分布情況。在這個(gè)例子中，Tx1最左邊的零子載波在符碼時(shí)間n+2時(shí)的測量結果含有由Tx0串擾產(chǎn)生的導頻能量。這些非重疊導頻子載波提供了一種特殊的測量方法，可以確定兩個(gè)發(fā)射機信道之間的串擾程度。如圖2中所示，通過(guò)在Tx1上直接測量發(fā)射機輸出，就能確定Tx0的導頻泄漏；反之亦然。

　　跨信道測量示例

　　如上所述，WiMAX Wave 2信號的導頻結構使工程師可以非常方便地對兩個(gè)發(fā)射機信道之間的串擾進(jìn)行單端和單信道測量。圖3顯示了Agilent89600系列VSA軟件的“OFDMMIMO信息”表示的兩個(gè)測量示例。測試是通過(guò)將分析儀配置成單接收機Rx0(例如使用具有單信道頻譜/信號分析能力的軟件)并直接與發(fā)射機輸出端Tx0相連，然后對矩陣B信號進(jìn)行測量來(lái)完成的。在這種情況下，單信道分析儀在Rx0端(預定導頻功率發(fā)射)測得的Tx0導頻功率(表格中的“導頻功率”行)為+15.6dBm，在Rx0端(由于串擾而發(fā)射的偶然導頻功率)測得Tx1導頻功率為-25.4dBm。這些測得功率的差值就是相關(guān)串擾的測量結果，約為-41dB。圖3還顯示了另一個(gè)示例：從Tx1導頻功率測量值中計算得出的29dB串擾現在為-13.4dBm；Tx0導頻功率沒(méi)有發(fā)生改變，還是以前的+15.6dBm。如果分析儀直接與第二個(gè)發(fā)射機Tx1相連，反過(guò)來(lái)測量Tx0導頻功率，將會(huì )獲得相似的結果。需注意分析儀知道哪些發(fā)射機應在特殊的符碼時(shí)間里在任意給定子載波上發(fā)送導頻能量。同樣需要注意的是，當使用第二個(gè)分析儀信道時(shí)，針對其他Tx/Rx組合(此處只顯示一個(gè)“Tx-/Rx-”)的附加表格欄將顯示可用。

圖3 使用單個(gè)分析儀信道測量串擾或信道隔離度

　　發(fā)射機信道間的串擾結果是在WiMAX波形的解調IQ星座圖中出現了一個(gè)與眾不同的碼型，在發(fā)射機輸出端直接測量時(shí)尤其明顯。由于兩個(gè)發(fā)射機信道(這里指個(gè)別OFDM子載波)在時(shí)間上是一致的，在頻率和相位上也有關(guān)系，因此當一個(gè)發(fā)射機信道和另一個(gè)信道發(fā)生耦合時(shí)，數據子載波將相應地增加。

　　為了檢查這種效果，可以對以上例子中的兩個(gè)相同的信號進(jìn)行測量。在串擾較低的條件下(如圖4所示的相鄰信道隔離度為41dB的情況)，星座圖像預期的一樣，包括分別為16-QAM和BPSK制式的數據子載波和導頻子載波。當串擾增加(隔離度降低)至29dB時(shí)，數據子載波在星座圖中的點(diǎn)呈現明顯的擴散，而泄漏信號相應地增加。測量結果是在每個(gè)預期星座圖點(diǎn)位置上出現更小的16-QAM星座圖。對于兩個(gè)激活發(fā)射機信道之間存在串擾的STC和MIMO信號來(lái)說(shuō)，這種“星座圖中的星座圖”實(shí)際上是獨一無(wú)二的(尤其當微型星座圖呈直立狀態(tài)并保持穩定時(shí)更是如此)。

　　這種I/Q測量結果和在OFDM系統中觀(guān)察到的大部分減損大為不同。在OFDM系統中，由于不同的信號減損，星座圖通常呈一種隨機狀態(tài)分布。在這些星座圖中還可以清楚地看到WIMAXOFDMA中的STC/MIMO信號與眾不同的特性：串擾并不會(huì )使BPSK導頻的符碼位置發(fā)生顯著(zhù)變化(如星座圖中白色區域所示)，這是因為這些子載波已經(jīng)被設計成不發(fā)生重疊。

　　分析儀也可以使用天線(xiàn)而不是直接連接發(fā)射機來(lái)執行單信道測量。這種方法可用來(lái)對一些發(fā)射信道效果進(jìn)行檢驗，以及分析分集方案的性能。對于矩陣A配置(如圖1所示)，系統性能與從每個(gè)發(fā)射機接收到的信號通過(guò)信道傳輸之后的功率大小相關(guān)。理想的情況下，在接收機輸入端(Rx0)測得的每個(gè)發(fā)射機Tx0和Tx1的導頻功率結果應該大致相等。換句話(huà)說(shuō)，如果從一個(gè)發(fā)射機接收到的功率非常低的話(huà)，信道可能無(wú)法提供足夠的空間分集，而且總體系統性能可能會(huì )下降到單路輸入/單路輸出(SISO)配置的水平。這種測量導頻的單信道方法也可用于具有穩定傳輸信道的矩陣BMIMO配置，在每個(gè)接收機天線(xiàn)上連續進(jìn)行測量。

　　頻率響應的單信道測量

　　利用數量眾多的導頻及其互不重疊的結構，可以用一臺單信道分析儀(要求能夠確定與特殊導頻相關(guān)的發(fā)射機信道)非常簡(jiǎn)便地測量發(fā)射機和/或信道頻率響應。分析儀上顯示的頻率響應可以為發(fā)射機的特性或信道問(wèn)題提供有用的分析。被測量的頻率響應與載波數量呈線(xiàn)性相關(guān)，而且通常被顯示在振幅、相位或群延遲中。

　　要測量Tx0，可以將分析儀直接連接到Tx0，Tx0發(fā)射前導信號，用于信道均衡和同步。要測量(雙發(fā)射機系統中的)兩個(gè)信道，可以通過(guò)功率組合器將兩個(gè)發(fā)射機輸出直接連接到分析儀，使用分析儀的“使用Tx天線(xiàn)”設置來(lái)指定預定信道的導頻，以用于計算頻率響應。

　　非重疊導頻所傳輸的信息穩健性，可以通過(guò)單信道分析儀(只直接連接到Tx，不使用功率組合器)能否測量?jì)蓚€(gè)發(fā)射機在某些情況下的頻率響應來(lái)驗證。關(guān)鍵在于利用信道之間的串擾。串擾在Tx0信號(Tx0與單一分析儀輸入端相連)上提供可測量的Tx1導頻能量。借助(通過(guò)“使用Tx天線(xiàn)”設置)配置成只使用Tx1導頻的分析儀，可以獲得Tx1頻率響應結果，如圖5所示。請注意Tx1和Tx0的頻率響應非常相似，但是由于Tx0給Tx1帶來(lái)的有限數量的能量(在本例中為-41dB的串擾)，因此Tx1的測量結果包含相當多的噪聲。

　　結論

　　STC和MIMO多發(fā)射機技術(shù)能夠大幅度改善某些環(huán)境下的系統性能，但它們的多信道特性也為設計工程師帶來(lái)了特殊的挑戰。盡管信號具有多信道特性，但是借助單信道分析儀仍然可以進(jìn)行大量重要和實(shí)用的測量。該分析儀可以利用MIMOOFDMA信號的特性，甚至某些情況下可以利用信號減損(如串擾)來(lái)進(jìn)行測量。